Forskningskamp 2013 Lambertseter VGS Av: Reshma Rauf, Mahnoor Tahir, Sonia Maliha Syed & Sunniva Åsheim Eliassen Hydrogen & Brenselcelle biler Viktig for en miljøvennlig fremtid!
1 Innledning Det første kravet vi må stille oss for framtidens energibærere, er at de er rene. Det vil si at de ikke gir forurensede utslipp når energien omformes og utnyttes av sluttbruken. Det andre kravet er at de gjør det mulig å lagre og frakte energien på en trygg og praktisk måte. Det tredje kravet til gode løsninger er at en i størst mulig grad hindrer tap av høyverdig energi. Det kan en oppnå ved å unngå unødvendige energiomforminger. Man vil unngå å bruke høyverdig energi når det er mulig å dekke behovet med mer lavverdig energi. Det er tre energibærere som peker seg ut som energibærere for framtiden: Hydrogen, varme og elektrisitet. Men i denne oppgaven har vi valgt å legge på hydrogen som energibærer og bruken av dette i brenselcellebiler. Hydrogen er en av de viktigste energibærere i fremtidens transport. Sammen med brenselceller kan hydrogen brukes for å minske miljøbelastningen. Hydrogen er i likhet med elektrisitet en energibærer. Hydrogen kan brukes til å lagre, transportere og levere energi. I Norge produseres hydrogen hovedsakelig ved elektrolyse av vann, mens i verden for øvrig produseres det vanligvis fra naturgass. Fornybar energi fra for eksempel vind, sol og biomasse vil være hovedkildene i hydrogenproduksjon. Det som virkelig gjør hydrogen til en aktuell energibærer er brenselceller. Brenselcellene konverterer hydrogenets kjemiske energi til elektrisitet og varme. Restproduktet er rent vann. Virkningsgraden i en brenselcelle er svært høy sammenlignet med andre teknologier for konvertering av energi. I tillegg til at brenselceller som driver el- motorer kan erstatte forbrenningsmotorer i kjøretøy, kan de også sammen med hydrogen produsere elektrisitet og varme. Vil hydrogen være et fornuftig satsningsområde for energi i framtiden? Hydrogen H 2 : Hydrogen er en gass, og består av molekyler med to hydrogenatomer. Hydrogen er det vanligste og letteste grunnstoffet i universet. Det sies at hydrogen er 14 ganger lettere enn luft og forsvinner raskt i åpne rom. Ved romtemperatur og normalt trykk er hydrogen i gassform. Fordi hydrogen er en gass ved vanligtemperatur, er lagringen og transport mer krevende. De vanligste måtene å lage hydrogen på er enten ved å komprimere hydrogengassen, en annen, men veldig lite brukt lagringsmetode, er bruk av metallhybrider. De forskjellige lagringsmetodene har sine fordeler og ulemper. En av egenskapene til hydrogengassen er at den brenner raskt og gir verken røyk eller giftige utslipp.
2 Hvordan produseres hydrogen? Hydrogen kan framstilles på mange forskjellige måter. Framstilling av hydrogen kan skje på tre måter. Den første måten er reformering av hydrokarboner med vanndamp. Naturgass som for det meste består av metangass (CH4) reagerer med vann (H2O) og produktet vi får er hydrogen og karbondioksid. Reaksjonslikningen for denne reaksjonen er: CH4 + 2H2 O + energi Æ 4H2 + CO2. Den andre måten er elektrolyse av vann. I denne reaksjonen blir vannet H2O splittet i H2 atomer og O2 atomer. Gassene utvikles ved elektrodene som er i kontakt med vannet. Disse elektrodene er enten anoder eller katoder. H+ ionene vil trekkes mot anoden og O- ionene vil trekkes mot katoden. Reaksjonslikningen for en slik reaksjon er: 2H 2 O + elektrisk energi Æ 2H 2 + O 2. Dette er en modell for hvordan elektrolyse fungerer. Den tredje måten for å utvinne hydrogen er forbrenning av biomasse. Biomassen som da forbrennes kan f.eks. være pyrolyse eller fermentering. Biomasse er fornybar og utslippet av CO2 er lik null dersom uttaket av biomasse er i balanse med tilveksten. Hydrogen må lagres etter produksjon på en måte som tar liten plass og kan brukes som drivstoff i en bil. For å lagre hydrogen har tre viktige lagringsmetoder. Den første metoden er lagring i trykktank. Alle gasser kan oppbevares under trykk, men det skal et trykk på 750 atmosfærer til for å presse sammen hydrogen. For å få dette til må det konstrueres en spesialutviklet tank som kan tåle et så høyt trykk. Den andre metoden er å avkjøle gassen slik at den går over til væskeform. Man må kjøle ned hydrogen til -253C (20,53K) som er den romtemperaturen der hydrogen kondenseres til væske. En tank som skal inneholde kondensert hydrogen må isoleres godt, fordi den må være i stand til å tåle et så høyt trykk. Siste og sikreste måten å lagre hydrogen på i dag, er metallhydrider. Slike hydrider er kjemiske forbindelser som dannes når hydrogengass reagerer med et metall. Metallet må ha stor overlate og dermed være i pulverform, noe som vil føre til stor kontaktflate mellom gass og metall. Det må også brukes trykk for å få gassen på plass i metallet.
3 Brenselcelle Disse brenselcellene kalles PEM (polymere brenselceller). En brenselcelle er et elektrisk element hvor kjemisk energi som også kan frigjøres som varme ved forbrenning, brukes til å frembringe elektrisk strøm og varme. På bildet ovenfor kan du se hva en brenselcelle består av og hvordan prosessen fungerer. H2 (g) sendes inn i brenselcellen der den møter et lag av porøst karbon. Denne delen kalles for anodedelen. I anodedelen skjer det en oksidasjon av H2 og hydrogenatomene oksideres i en tynn platinahinne utenfor membranen, der hydrogenatomene gir fra seg elektronene som blir dratt ut og opp i en strømleder og videre over på andre siden av membranen. Dette resulterer i en strøm i den ytre kretsen som kan utnyttes som elektrisk energi, mens H+ protonene diffunderer gjennom membranen. Oksidasjon i anoden: H2 --> 2H+ + 2e- I PEM cellene benyttes det en fast polymer elektrolytt, som vi også kaller for membranen. Denne membranen er en protonledende polymer membran. Den sørger derfor for at H+ protonene kan passere gjennom, fra anodedelen til katodedelen. H+ går derfor med sin konsentrasjonsgradient fordi det er et overskudd av H+ protoner på anodedelen og underskudd av O2 atomer på katodedelen. Det skjer derfor en diffusjon gjennom membranen. Katodedelen består
4 også av porøst karbon, men her blir det tilført O2. O2 trekker på H+ protonene samt. elektronene og vi får dannet H2O. Det skjer derfor en reduksjon i katodedelen. Reduksjon i katoden: ½ O2 (g) + 2H+ + 2e- --> H2O(g) Den totale reaksjonen vil se slik ut i en brenselcelle: H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) Hvordan brukes hydrogen i biler? I Norge i dag finnes det omtrent 15 hydrogenbiler. Drivkraften i disse bilene er hydrogen. Disse hydrogenbiler har hydrogentanker og en brenselcelle, som komplementerer hverandre. Forskjellen på en el bil og en hydrogenbil er at batteriet i en el bil er byttet ut med brenselcelle og hydrogentanker. For å fylle opp tanken med 4 kg hydrogen tar det ca. 4 minutter. Da vil en hydrogenbil kjøre omtrent 4 mil (40km). Elbiler med brenselceller som drives av hydrogen har god rekkevidde og tankes raskt opp. De vil spille en sentral rolle i fremtiden. kilde: http://www.hydrogen.no/assets/files/infomateriale/hyd rogen_infobrosjyre_2013.pdf Diskusjon Vi ser at dagens bensinbiler er ikke miljøvennlige, fordi de gir utslipp av store mengder med CO2. Utslipp av CO2 er et veldig sentralt problem i verden i dag, fordi denne gassen forunenser miljøet. En løsning på dette problemet kan derfor være å ta brenselcelle i bruk. I en brenselcelle er drivkraften hydrogen, og hydrogen gir ikke utslipp av klimagass som CO2. Hydrogen som drivstoff har ikke andre utslipp enn ren vanndamp. Ved bruk av hydrogenbiler vil det forbedre luftkvaliteten i byene våre. I likhet med elbiler som er avhengig av hvordan strømmen produseres, er hydrogen og avhengig av hvordan hydrogen produseres. En brenselcelle i en hydrogenbil er mer effektivt enn en forbrenningsmotor i en vanlig bil. Dette
5 betyr at med samme energimengde kan en bil med brenselcelle kjøre omtrent dobbelt så langt som en bil med forbrenningsmotor. Hvorfor satser ikke bilprodusentene på hydrogen som drivkraft i biler? Hydrogen kan være et miljøvennlig alternativ som kan brukes i biler, fordi det ikke gir utslipp av klimagasser. Dessuten er energiinnholdet i hydrogen 33,33kWh/kg noe som er tre ganger så mye som bensin(12,1kwh/kg). Hydrogen har veldig høy energi målt i vekt, men lav målt i volum med atmosfærisk trykk. Dette kan være en av grunnene til at bilprodusenter ikke satser på hydrogen, fordi det ikke gir mye energi når det komprimeres. Andre grunner til at de ikke satser på hydrogen kan være at det er dyrt å produsere. For å produsere hydrogen trengs det energi og den energien koster penger, dessuten koster også elektrodene som brukes i elektrolyse mye. Den tredje og siste grunnen kan være at det er vanskelig å lagre hydrogen. For å lagre hydrogen må det spesialtanker til som kan tåle mye trykk og samtidig været isolert godt nok. Disse tankene koster igjen mye penger som gjør at bilprodusenter ikke satser så mye på hydrogenbiler. Sist men ikke minst kan et hydrogen bil ikke kjøre like mye som en vanlig bensin bil og dette gjør også at hydrogenbiler ikke blir satset på. Resultatet ser vi at det kun finnes 15 hydrogenbiler i Norge. Konklusjon Vi har funnet ut at hydrogen som energibærer er noe vi bør satse på, fordi det er miljøvennlig og fornybart Både globalt og lokalt vil hydrogen bedre luftforholdene med tanke på bruk av hydrogen i brenselscellebiler. Problemet med dette vil være høye kostnader, noe som vil føre til at ønske om å satse på hydrogen som energibærer minsker. Hydrogen gir mye energi, men samtidig koster det også energi til å produsere og lagre hydrogen. Samtidig har noen valgt å satse på dette, som SINTEF i Norge og deres hydrogenbiler som er vellykkede prosjekter. Kildeliste: Websider: http://no.wikipedia.org/wiki/hydrogen (27.11.2013) http://no.wikipedia.org/wiki/brenselcelle (27.11.2013) http://www.regjeringen.no/nb/dep/oed/dok/nou- er/2004/nou- 2004-11/5/2/3.html?id=418653 (27.11.2013)
6 http://ndla.no/nb/node/4830 (27.11.2013) http://www.hydrogen.no/assets/files/infomateriale/hydrogen_infobrosjyre_2013.pdf (27.11.2013) Bøker: Grønberg et.al(2007) Kjemien stemmer, kjemi 1 grunnbok, J.W. Cappelens Forslag AS, Oslo.